Время работы батарейки зависит от запаса энергии и нагрузки, которую создает прибор. Источник: Unsplash

На двух батарейках размера AA может стоять одинаковая надпись «1,5 В», а игрушечная машинка проедет с ними разное расстояние. Напряжение обозначает только одну характеристику источника питания. Продолжительность работы зависит еще и от того, сколько энергии батарейка может отдать и как справляется с нагрузкой.

Как Льюис Урри усовершенствовал батарейку 

Льюис Урри использовал цинковый порошок, чтобы батарейка лучше отдавала ток при большой нагрузке. Источник: Соцсети

В середине 1950-х канадский инженер Льюис Урри работал в лаборатории Eveready в Кливленде. Перед ним стояла вполне бытовая проблема: распространенные угольно-цинковые батарейки плохо справлялись с игрушками, которым требовалось много тока. Компания хотела увеличить срок их работы.

Урри экспериментировал с цинком, диоксидом марганца и щелочным электролитом — средой, которая проводит заряженные частицы внутри элемента. Поначалу новая батарейка отдавала недостаточно мощности. Тогда инженер заменил сплошной цинк порошком: у множества мелких частиц суммарная поверхность гораздо больше, и реакция могла идти на большей площади. Для демонстрации Урри устроил заезд двух игрушечных машинок в заводской столовой. Как он вспоминал в интервью Associated Press, машинка с его прототипом пересекала помещение, пока другая, с обычной батарейкой, едва двигалась. Наглядный опыт помог убедить руководство продолжить разработку.

Урри работал вместе с Карлом Кордешем и Полом Марсалом. Все трое указаны авторами патента, заявку на который подали в 1957 году. Цилиндрические щелочные батарейки Eveready вышли на рынок в 1959-м; патент выдали годом позже.

Как батарейка вырабатывает электричество

Батарейка преобразует химическую энергию в электрическую, питая лампы, моторы и электронные схемы. Источник: Interesting Engineering

Внутри батарейки идет химическая реакция. В солевых и щелочных элементах ее основные участники одинаковы: цинк и диоксид марганца. Они образуют два электрода, связанных с отрицательным и положительным контактами.

Когда прибор включают, цинк отдает электроны. По внешней цепи они проходят через мотор, лампу или электронную схему к положительному электроду, где их принимает диоксид марганца. Так батарейка преобразует химическую энергию в электрическую. Внутри заряд переносят ионы — заряженные частицы электролита. Материалы электродов разделены перегородкой, которая пропускает ионы и препятствует прямому контакту компонентов.

По мере расходования активных веществ меняется состав электродов и накапливаются продукты реакции. Батарейке становится труднее поддерживать нужное напряжение. Подробнее о том, как работают батарейки, мы рассказывали отдельно.

Чем щелочные батарейки отличаются от солевых

Щелочные батарейки лучше поддерживают напряжение под нагрузкой благодаря меньшему внутреннему сопротивлению. Источник: Unsplash

Название связано с составом электролита: в солевых используют растворы солей, в щелочных — раствор щелочи. Ниже сравниваем обычные одноразовые цилиндрические элементы одного размера.

Различия Солевых и Щелочных батареек

Характеристика	Солевые	Щелочные
Электролит	Раствор хлорида аммония и/или хлорида цинка	Раствор гидроксида калия
Цинковый электрод	Цинковый стакан	Цинковый порошок в геле
Запас энергии при одинаковом размере	Обычно меньше	Обычно больше
Внутреннее сопротивление	Обычно выше	Обычно ниже
Работа при большой нагрузке	Напряжение быстрее снижается	Лучше поддерживают напряжение
Стоимость	Как правило, ниже	Выше

Состав и конструкция щелочного элемента позволяют получить больший запас энергии при том же размере. Цинковый порошок и хорошо проводящий ионы электролит помогают отдавать ее при большом токе: внутреннее сопротивление ниже, поэтому напряжение под нагрузкой проседает меньше. Именно сочетание этих свойств продлевает работу элемента.

Однако универсального соотношения вроде «щелочная работает в пять раз дольше» нет. Результат зависит от конкретных батареек и прибора: часам нужен небольшой ток, а мотору игрушки — значительно больший. Разница меняется и внутри солевой категории: цинк-хлоридные элементы обычно лучше выдерживают нагрузку, чем классические с электролитом на основе хлорида аммония.

Какие еще бывают батарейки и аккумуляторы

Аккумуляторы позволяют многократно восстанавливать запас энергии с помощью зарядки. Источник: Unsplash

Возможность повторной зарядки определяется устройством и химией элемента. Аккумулятор рассчитан на многократное восстановление запаса энергии от внешнего источника. Обычные солевые и щелочные батарейки заряжать нельзя: это может вызвать утечку или разрыв корпуса.

Кроме них, в бытовых устройствах встречаются:

• Одноразовые литиевые батарейки. Бывают в форме привычных AA и небольших «таблеток». Разные литиевые системы имеют разное напряжение; размер и напряжение элемента нужно сверять с требованиями прибора.
• Серебряно-оксидные батарейки. Небольшие элементы, которые используют, например, в наручных часах.
• Никель-металлогидридные аккумуляторы, или NiMH. Выпускаются в том числе в размерах AA и AAA, подходят для совместимых устройств и допускают многократную зарядку. Их номинальное напряжение обычно составляет 1,2 В.
• Литий-ионные аккумуляторы. Питают смартфоны, ноутбуки и многие другие устройства; зарядка возвращает ионы лития в положение, из которого они снова могут участвовать в разряде.

Размер AA сам по себе не говорит ни о составе элемента, ни о возможности его заряжать. Эти свойства указывают на корпусе и упаковке.

Почему батарейки быстро разряжаются

При долгом хранении батарейки теряют часть запаса энергии из-за саморазряда. Источник: Lenta.Ru

Срок работы сокращается по нескольким причинам:

• Большая нагрузка. Мотор или яркий фонарь расходует энергию быстрее. Одновременно растут потери внутри элемента, поэтому до отключения прибора удается использовать меньшую часть его запаса.
• Холод. Реакции и перемещение ионов замедляются, внутреннее сопротивление увеличивается. Под нагрузкой напряжение падает сильнее.
• Долгое хранение, особенно в жаре. Побочные химические процессы постепенно расходуют запас даже у батарейки, которую еще не вставили в прибор. Это называют саморазрядом.

У каждого устройства есть минимальное рабочее напряжение. Когда батарейка уже не может его поддерживать, прибор выключается, хотя внутри еще остается некоторое количество активных веществ. Поэтому срок работы нельзя определить только по размеру батарейки или надписи на упаковке. Если фонарь ослаб на морозе, после возвращения в помещение батарейки могут снова лучше отдавать ток. Они при этом не зарядились: при комнатной температуре оставшаяся энергия стала доступнее для прибора.

Автор Владимир Барышев